Гідравлічний удар у трубопроводах

Під гідравлічним ударом розуміють підвищення тиску в трубопро­воді внаслідок різкого зменшення швидкості течії рідини. Цей ефект спостерігається в довгих трубопроводах при раптовому перекритті трубопроводу. У таких випадках підвищення тиску може досягати чотириразового значення робочого тиску. Гідравлічний удар може призвести до ушкод­ження місць з'єднань труб, розриву стінок трубопроводів, поломки насосів і руйнації іншої арматури.

При миттєвому перекритті трубопроводу перед засувкою рух ріди­ни припиняється, а її кінетична енергія переходить у потенційну (тобто підвищується тиск), що в свою чергу спричиняє дефор­мацію стінок труби. На якусь мить рух частинок рідини зупи­ниться. Труба буде розтягнута як по довжині, так і по діаметру, а рідина – стиснута. Тиск рідини перед засувкою буде значно вище, ніж в інших перерізах труби. Остання обставина зумовлює переміщен­ня частинок рідини в оберненому напрямку. Через якийсь час у пере­різах перед засувкою тиск різко падає, що викликає рух в обернено­му напрямку. Потім цикл повторюється знову і знову. Процес зміни тиску відбувається дуже швидко – зі швидкістю поширення імпульсу тиску. Швидкість поширення ударної хвилі у воді становить 1435 м/с, у гасу – 1170 м/с, у бензині – 1116 м/с, у масти­лі – 1400 м/с. За рахунок сил тертя описаний процес поступово загасає.

Розрахунок підвищення тиску при різкому припиненні руху рідини в трубі можна здійснити за формулою Н. Е. Жуковського

D р= r v_о a,

де D р – підвищення тиску; r – густина рідини, кг/ м³; v_о – середня швидкість руху рідини, м/с; a – швидкість поширення імпульсу тиску, м/с.

Приведений вираз має місце у разі, якщо час перекриття потоку рідини t менше періоду трубопроводу t _о – часу пробігу подвійної довжини аналізованої ділянки трубопроводу, тобто

2l
t <t_о = ---,

a

де l – довжина аналізованої ділянки трубопроводу, м.

Якщо ж t > t_о, підвищення тиску визначається за формулою

D р = rD va,

де D v = v_о–v – зменшення (втрата) швидкості рідини в трубі, зумовлене неповним перекриттям засувки за час, що дорівнює періоду трубопроводу t_о; v – швидкість рідини до моменту приходу до засувкиоберненої ударної хвилі, відбитої від джерела напору.

Припустивши, що зміна швидкості рідини й підвищення тиску проходить пропорційно часу t, величину D v можна обчислити за формулою

t_о 2l

D v = v_о -- = v_о --- ,
t a t

а підвищення тиску – за формулою

 

rt_о

D р = -- av_o --.
g t
Якщо задатися величиною припустимого підвищення тиску D p _пр, то можна виз­начити час перекриття засувки:

2l r v_о
t > -----.

g D р _пр

Для запобігання руйнації труб, їхніх з'єднань і арматури через можливу появу гідравлічного удару в ряді випадків систему доповнюють гідравлічними амортизаторами. Гідравлічний амортизатор являє собою металевий балон, внутрішня частина якого розділена гумовою діафрагмою на рідинну й газову порожнину. Газова порожнина через спеціальний штуцер зарядки заповнюється азотом до тиску, що становить 85% – 90% робочого тиску в системі. До трубопроводу гідроамортиза­тор кріпиться фланцем. Контроль за тиском у газовій порожнині гідроамортизатора здійснює манометр.

Робота гідроамортизатора відбувається таким чином. При відсутності тиску в системі гумова діафрагма під дією тиску в га­зовій порожнині знаходиться в крайньому нижньому положенні.

При підвищенні тиску в магістралі (більше тиску початкової зарядки газової порожнини) діафрагма починає прогинатися й об’єм газової порожнині зменшується.

Такий процес продовжується доти, доки тиск у магістралі не буде дорівнювати тискові в газовій порожнині. При гідравлічному ударі рідина буде входити й виходити з амортизатора, згладжуючи пуль­сації та знижуючи енергію ударної хвилі. Кінетична енергія рідини при гідравлічному ударі в гідроамортизаторі витрачається на робо­ту тертя рідини й нагрівання газу.

Потрібний корисний об’єм гідроамортизаторів(V _г) для гасіння гідро­удару в магістралі підраховують за формулою [10]:

P _р ²

V _г = 2,21 d ² v _о t_о ------,
р _гD р _пр

де d – внутрішній діаметр трубопроводу, м; v_о – середня швидкість руху рідини, м/сек; t_о =2l / a – період трубопроводу; р _р– робочий тиск у магістралі, кг/см²; р _г – тиск зарядки газової порожнини гідроамортизатора, кг/см²;D р _пр– припустиме підвищення тиску; l – довжина магістралі від джерела тиску до місця перекриття потоку, м; a – швидкість поширення удар­ної хвилі.

Кількість потрібних гідроамортизаторів визначається за формулою

n _г = V _г /V _ам ,

де V _ам –корисний об’єм одного гідроамортизатора, м³.

Методичні рекомендації

У цьому розділі розглядаються методики (гідравлічний і на міцність) розрахунків трубопроводів складу ПММ.

Слід пам’ятати, що правильно проведений розрахунок, а потім і добір трубопроводів визначає витрати на будівництво тру­бопровідних комунікацій, на експлуатацію, надійність та дов­говічність їхньої роботи.

Контрольні запитання

1. Що таке гідравлічна характеристика трубопроводів?

2. З якою метою проводять перевірочний розрахунок трубо–проводу на тривкість?

3. Для чого й у яких випадках потрібні температурні компенса­тори?

4. Що таке гідравлічний удар у трубопроводах?

5. Розкажіть про можливі методи зниження його впливу.

Глава 4. НАСОСИ

Насосом називається гідравлічна машина, яка призначена для пе­реміщення рідини шляхом передачі їй механічної енергії. Насос, одержуючи механічну енергію від якогось джерела, передає її пото­кові рідини, що рухається. Основними параметрами насосів є напір (або тиск), подача, потужність і коефіцієнт корисної дії.

Напір являє собою збільшення питомої енергії рідини на ділянці від входу насосу до виходу з нього. Напір, утворюваний насосом, вимірюється в метрах стовпа перекачуваної рідини, що еквівалентно підйому рідини на визначену висоту h.

Подача – це об’єм рідини, який подається до трубопроводу за оди­ницю часу і зазвичай вимірюється в кубічних метрах за секунду (м³/с), кубічних метрах за годину (м³/год), літрів за хвилину (л/хвил).